나트륨 배터리 혁신...물 함유로 충전량 2배, 바닷물 담수화까지

나트륨이온 배터리에 물을 가두는 것만으로 충전 용량이 거의 2배로 늘어나는 혁신적 발견이 나왔다. 영국 서리대 연구진은 전통적 방식처럼 물을 제거하지 않고 배터리 재료 안에 물을 보관하면 성능이 크게 향상된다는 사실을 발견했다. '습식' 버전은 거의 2배의 충전량을 저장하고 더 빠르게 충전되며 400회 이상 충전 사이클 동안 안정성을 유지했다. 바닷물에서도 작동하며 염분을 제거해 에너지 저장과 담수 생산을 동시에 할 수 있다.

19일(현지시각) 사이언스데일리에 따르면, 나트륨이온 배터리는 더 깨끗하고 지속 가능한 에너지 저장을 위한 유망한 선택지로 떠오르고 있다. 서리대 연구진은 중요한 배터리 재료 내부에 물을 보관하는 놀라운 간단한 방법으로 성능을 향상시켰다.

현재 리튬이온 배터리가 시장을 지배하고 있지만, 환경에 해를 끼칠 수 있는 고가의 재료에 의존하고 있다. 반면 나트륨은 풍부하고 널리 구할 수 있다. 그럼에도 불구하고 리튬이온 기술과 성능을 맞추는 것은 나트륨이온 시스템에 있어 큰 장애물이었다.


Journal of Materials Chemistry A에 발표된 연구에서 과학자들은 잘 알려진 나트륨 기반 화합물인 바나듐 산화물을 조사했다. 그들은 재료가 자연스러운 수분 함량을 유지하도록 허용하는 것이 배터리 내에서 기능하는 능력을 크게 향상시키는 것을 발견했다.
이 화합물은 나노구조 바나데이트 나트륨 하이드레이트(NVOH)라고 불리며, 수화 형태로 사용했을 때 훨씬 더 강력한 결과를 냈다. 이 장치는 훨씬 더 많은 에너지를 저장하고, 더 빠른 충전 속도로 충전하며, 400회 이상의 충전 사이클 동안 안정성을 유지했다. 시험 중 수화된 버전은 표준 나트륨이온 음극 재료보다 거의 2배에 달하는 전하를 보유했다. 이 성능은 지금까지 보고된 나트륨이온 배터리 중 상위 음극 중 하나에 해당한다.

서리대 화학 및 화학공학부 연구원이자 논문의 주저자인 다니엘 코두듀어 박사는 "우리의 결과는 완전히 예상 밖이었다. 산화나트륨 바나듐은 수년간 존재해 왔고, 사람들은 문제를 일으킬 수 있다고 생각해서 보통 열처리를 통해 물을 제거한다. 우리는 그 가정에 도전하기로 했고, 결과는 예상보다 훨씬 좋았다"고 말했다.


팀은 또한 배터리 시스템에 특히 까다로운 바닷물에서 이 재료가 어떻게 작동하는지도 탐구했다. 이 장치는 효과적으로 작동했을 뿐만 아니라 염수 용액에서 나트륨 이온도 제거했다. 동시에 흑연 전극은 전기화학 담수화라고 알려진 과정을 통해 염화 이온을 추출했다.

코두듀어 박사는 "바나데이트 나트륨 하이드레이트를 바닷물에 사용할 수 있다는 것은 정말 흥미로운 발견이다. 이는 나트륨이온 배터리가 단순히 에너지를 저장하는 것 이상을 할 수 있음을 보여주기 때문이다. 또한 물에서 소금을 제거하는 데에도 도움을 줄 수 있다"고 말했다.
그는 "장기적으로는 바닷물을 완전히 안전하고 무료하며 풍부한 전해질로 활용하면서도 공정의 일환으로 담수를 생산하는 시스템을 설계할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.


이러한 발전은 리튬 기반 기술의 실용적 대안으로서 나트륨이온 배터리의 도입을 가속화할 수 있다. 나트륨이 저렴하고 풍부하기 때문에, 이 배터리들은 더 안전하고, 더 저렴하며, 환경 친화적일 가능성이 있다.

잠재적 활용 분야로는 전력망용 대규모 재생에너지 저장과 전기차 응용 등이 있다. 고성능 나트륨이온 배터리 생산을 단순화함으로써, 서리 팀의 연구 결과는 상업적으로 실현 가능하고 지속 가능한 에너지 저장을 현실에 한 걸음 더 다가가게 한다.


물을 함유한 나트륨이온 배터리의 획기적 성능 향상은 한국 배터리 업체들에게 중요한 시사점을 준다. LG에너지솔루션이 중국 난징에서 나트륨이온 배터리 시범 생산 라인을 건설 중이지만, 삼성SDI와 SK온은 아직 본격 투자에 나서지 않고 있다.

서리대의 이번 연구는 나트륨이온 배터리가 리튬이온과 경쟁할 수 있는 수준으로 발전했음을 보여준다. 충전 용량이 2배로 늘고 400회 이상 안정적으로 작동하며, 심지어 바닷물을 전해질로 사용하면서 담수까지 생산할 수 있다는 점은 혁명적이다. 한국 배터리 3사가 이 기술을 빠르게 확보하지 못하면 중국 CATL과 미국·유럽 스타트업들에게 시장을 내줄 수 있다.

특히 바닷물을 전해질로 사용할 수 있다는 점은 한국에게 유리하다. 한국은 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 바닷물 기반 나트륨이온 배터리를 연안 지역 ESS나 해상풍력 에너지 저장에 활용할 수 있다. 동시에 담수를 생산할 수 있어 물 부족 문제 해결에도 기여할 수 있다. 포스코, 한화솔루션 같은 기업들도 나트륨이온 배터리 소재 개발에 참여할 수 있다.

업계 전문가는 "서리대 연구는 나트륨이온 배터리가 단순히 저가 대체재가 아니라 바닷물 활용과 담수 생산이라는 독자적 장점을 가진 차세대 기술임을 입증했다"며 "한국 배터리 업체들이 리튬이온에만 집중하다가 나트륨이온 시장을 놓치면, 에너지 저장 시장의 패러다임 전환기에 뒤처질 수 있다"고 경고했다. 정부도 나트륨이온 배터리 기술 개발에 R&D 지원을 확대하고, 서리대 같은 해외 연구기관과의 기술 협력을 추진할 필요가 있다는 지적이다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com